高速高精度光学模数转换技术研究进展①

李政凯，张旨遥*，李和平，刘 永

(电子科技大学光电科学与工程学院，电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610000)

0 引言

数字信号处理技术具有分辨率高、灵活性高以及抗噪性好等优点，是实现精确信号处理的首选方法[1]。然而自然界中普遍存在的是时间和幅度上连续的模拟信号，作为将模拟信号转换为数字信号的桥梁，模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC)对信号采集和处理系统的运作起到了至关重要的作用。例如：宽带雷达和电子侦察等应用场景迫切需要模拟带宽覆盖数十GHz、采样速率高达数十GS/s以上的高精度ADC，以实现高频宽带信号的直接数字化。现有的ADC主要基于电子学半导体技术实现，如硅基ADC，由于载流子迁移速率存在物理极限，单核ADC的模拟带宽低于数GHz，同时为了保证转换精度，采样速率通常仅能达到1-2GS/s[2]。转换精度作为ADC的重要性能指标，通常用有效位数(Effective Number of Bits,ENOB)来表示，根据Walden对ADC的调研报告[3]，单核ADC的转换精度主要受限于时间抖动噪声(百fs量级)、热噪声和比较器不确定性等因素，且会随着采样速率和带宽的增加而严重恶化，在采样率达到数十GHz时有效位数通常不超过6位。目前，高速电子ADC通常采用多个低速ADC核进行时间交织采样实现，这样可以使单核ADC工作在较低的采样速率，从而避免比较器不确定性带来的精度恶化，同时单核ADC所需时钟频率较低，时间抖动较小，可以保证足够高的有效位数[4]。然而，通过时间交织采样实现的高速电子ADC，其模拟带宽取决于单核ADC的模拟带宽，并不能通过时间交织采样方式得以提升，并且ADC核数量的增加还会引入晶体管增益失配、时钟相位误差等问题，导致转换精度下降。当前国外最先进的高速示波器采用高迁移率半导体材料和迁移率提升技术来提升单核ADC的输入带宽和采样速率，并通过时间交织采样的方式，最终能够实现数十GHz的模拟带宽和上百GS/s的采样速率，然而相关产品和技术均对我国进行严格的封锁。因此，具有大模拟带宽的高速、高精度ADC是数字信号处理发展的主要技术瓶颈。

自上世纪七十年代起，锁模激光器的发展和光子学技术的成熟促使人们开始将注意力集中于借助光信号处理技术的超高速、大带宽等天然优势来提升电子ADC的性能。例如：锁模激光器可以产生重复频率达数十GHz、脉宽为ps至fs量级的低时间抖动光脉冲，可以用于产生高精度光学时钟以及实现高速单路直接光学采样；电光调制器的3dB带宽已经突破100GHz，可以保证超宽带光学采样的实现；光学时分/波分复用技术的成熟为高速光学采样与低速电学量化的匹配搭建起了桥梁。上述这些技术的突破使得借助光学手段实现模数转换成为可能，为宽带、高速、高精度模数转换技术的发展提供了可行的解决方案和有力的技术支撑。

光学ADC技术在实现宽带信号的数字化方面的作用日渐凸显，在此背景下，本文回顾了光学ADC技术的研究进展，重点介绍了光学时间拉伸ADC以及光采样ADC这两类主要光学ADC技术的基本原理和实现方案，并概述了光量化技术的发展，展望了光学ADC的发展趋势。

1 光学ADC

光学ADC是指在光域内实现采样、量化和编码等一项或多项模数转换基本功能，或利用光学方法对待采信号进行预处理，从而提升电子ADC性能的一种技术。光学ADC能够充分发挥光子学技术超高速、超宽带等天然优势，是实现宽带信号高速、高精度数字化最具潜力的发展方向之一，在超宽带无线通信、高速信号采集、高载频宽带雷达、电子侦察等民用和国防领域中具有重要的应用价值。按照光子学技术在模数转换过程中所发挥的作用，光学ADC可以分为以下四种类型：光采样电量化型、电采样光量化型、全光采样量化型和光学辅助型[5]。目前，光量化技术还处在研究探索阶段，量化精度不高，实用性有待提升，相比之下电量化技术更加成熟且量化精度更高。因此，光学预处理技术(包括光学采样技术)与电学量化技术相结合的光电混合型ADC在现阶段有着更好的应用前景，其中典型的代表包括光学辅助型ADC和光采样电量化型ADC两大类。

1.1 光学辅助型ADC

光学辅助型ADC先在光域内对待采样的模拟信号进行预处理或利用光学方法产生采样时钟，再利用电子ADC对预处理后的模拟信号进行采样和量化，从而提升电子ADC的性能。其中，光学时钟型ADC是一种利用光学手段产生低时间抖动的采样电时钟的方案[6]，然而受限于模拟带宽以及重复频率和时间抖动的相互制约，其性能难以进一步提升。时间交织型ADC将待处理信号复制为多个样本并在光域内经过精确延时处理，再利用同步的电子ADC完成数字化[7]，该方案虽然大大提高了电子ADC的采样速率，但并不能提升电子ADC的模拟带宽，因此难以用于宽带信号的模数转换。光学信道化下变频型ADC将宽带微波信号在光域内进行频谱切割，再经过下变频后利用电子ADC完成数字化[8]，该方案解决了时间交织型ADC面临的高精确模拟滤波器组和低噪声本振的同步问题，能够降低电ADC的采样率需求，但对光滤波器性能要求苛刻，通道间串扰严重。

光学时间拉伸型ADC是在众多光学辅助型ADC中受到广泛关注的一类方案[9]。光学时间拉伸型ADC在电学采样和量化前先在光域内对待采样的模拟信号进行降频和带宽压缩处理，从而降低对后端电子ADC采样速率和模拟带宽的要求，减小时间抖动对模数转换性能的影响，其基本原理如图1所示。超短光脉冲首先经过一段色散补偿光纤，在群速度色散的作用下，光脉冲发生展宽并引入了线性啁啾，实现了波长到时间的映射，随后输入微波信号通过电光强度调制器加载在线性啁啾光脉冲的强度包络上，不同时刻的微波信号对应不同波长的光载波，实现了时间到波长的映射，加载了微波信号的线性啁啾光脉冲进入第二段色散补偿光纤，在群速度色散的作用下进一步展宽，使得微波信号也一同被拉伸，从而实现了对微波信号的降频和带宽压缩，最后光电探测器恢复出降频和带宽压缩后的微波信号。降频和带宽压缩的倍数 取决于两段色散补偿光纤的色散量。

(1)

其中D1和D2分别为两段色散补偿光纤的色散量。当采用电子ADC对处理后的微波信号进行采样时，相当于电子ADC的采样率和模拟带宽提升了相应的倍数。

图1 有限时间光学时间拉伸ADC原理

2012年，美国休斯顿研究实验室提出了一种大拉伸倍数、高有效位数的光学时间拉伸型ADC[10]，其方案如图2所示。该方案中啁啾光纤光栅充当了第二段色散补偿光纤的角色，拉伸倍数达到41.365倍，待采样的10GHz模拟信号经过该系统后被降频为242.3MHz，模数转换后的有效位数达到8.27bits。

图2 美国休斯顿研究实验室提出的光学时间拉伸ADC

在光学时间拉伸系统中，为了在提升时间孔径(即：进入电光调制器的啁啾光脉冲宽度)的同时保证拉伸倍数，通常需要非常大的群速度色散量，这势必会在微波光子链路中引入色散功率代价的影响；同时，电光调制器本身的非线性特性会使模数转换结果中存在谐波失真；此外，啁啾光脉冲包络的动态变化也会给模数转换过程带来额外的失真，上述因素都会造成转换精度不同程度的恶化。2017年，电子科技大学提出了基于互补平行单边带调制结构的光学时间拉伸ADC[11]，系统结构如图3所示。两个电光强度调制器分别偏置在传输曲线上升沿和下降沿的正交点，从而实现了互补单边带调制。在仿真中，结合相位补偿算法、差分运算和arcsine算法，包络被去除，色散功率代价的影响减小了16.6dB，噪底降低了约10dB，且偶数阶失真被抑制到噪底以下。

图3 基于互补平行单边带调制结构的光学时间拉伸ADC

由于传统孤子锁模激光器的光谱为双曲正割型，经过展宽形成的线性啁啾光脉冲时域不平坦，直接限制了模数转换的精度。此外，传统孤子锁模激光器的最大脉冲能量有限，通常需要使用光放大器来保证时间拉伸后足够高的信号功率，这样就难免会引入放大器的自发辐射噪声，进一步降低转换精度。2018年，广东工业大学和电子科技大学共同提出了利用耗散孤子被动锁模激光器来提高光学时间拉伸型ADC的转换精度[12]，结构如图4所示。耗散孤子光源相比传统孤子光源具有更平坦和更宽的频谱以及更高的能量谱密度，因此有利于降低脉冲包络引起的信号失真、提高时间带宽积和信噪比。且其频谱边缘陡峭，还可以最大限度地减少相邻脉冲之间的交叠。实验中利用自制的耗散孤子光源在100GS/s采样速率下实现了4.1bits有效位数。

图4 基于耗散孤子光源的光学时间拉伸ADC

虽然光学时间拉伸型ADC已经能够实现数百倍的拉伸倍数，但大多是基于有限时间信号的研究。为了实现对连续时间信号的模数转换，通常需要精确控制时延使相邻的超短光脉冲形成首尾相连的啁啾光脉冲，再在其上加载输入微波信号实现时间拉伸，并在拉伸后解复用为多个并行通道分别处理。2011年，新加坡南洋理工大学基于偏振调制结合平衡探测技术提出了一种新的连续时间信号光学时间拉伸ADC[13]，如图5所示。该方案中通过精确设计色散量，使得时域交叠的光脉冲在频域不交叠，从而在无需额外时延控制的情况下实现连续时间信号时间拉伸，最终在实验中验证了模拟带宽4GHz、采样率8GS/s、有效位数3.56bits的连续时间拉伸系统。

图5 新加坡南洋理工大学提出的光学时间拉伸ADC

光学时间拉伸ADC最大的优势在于利用光学技术超高速、大宽带的特性极大地提升了电子ADC的采样速率和模拟带宽，但受限于超短光脉冲光谱非理想的平坦度，以及光电器件及链路的非线性特性，通常会以牺牲有效位数为代价。因此在保证采样速率和模拟带宽的基础上提升转换精度是光学时间拉伸ADC的研究重点。

1.2 光采样电量化型ADC

光采样电量化型ADC主要是利用超短光脉冲源代替电脉冲，在光域内对模拟电信号进行采样，而量化依然通过电子ADC来完成。用于光采样ADC中的超短光脉冲源主要包括主动锁模激光器[14]、被动锁模激光器[15]以及无谐振腔型超短光脉冲源[16]，被动锁模激光器的时间抖动可以低至10fs以下，但重复频率很难超过1GHz，而主动锁模激光器和无谐振腔型超短光脉冲源的时间抖动主要取决于外部时钟(50fs以下)，虽然略高于被动锁模激光器，但低于目前电子ADC的最好水平(大于100fs)，且单路重复频率可以达到数十GHz，通过复用技术能够达到百GHz以上。由于光采样ADC的时间抖动由超短光脉冲源的时间抖动决定，而采样速率取决于超短光脉冲源的重复频率，因此光采样ADC相比传统电子ADC具有高采样速率和低时间抖动的特性。光采样ADC的基本原理如图6所示，输入模拟信号通过电光强度调制器加载在超短光脉冲序列的强度包络上，将模拟信号在时间上离散化，在光域内实现光学采样，再经过光电探测器将采样光脉冲序列拍频转换到电域内结合后端速率匹配的电子ADC完成量化编码等后续处理。

图6 光采样ADC原理

光采样ADC能够发挥超短光脉冲源高重复频率的特性，实现超高的采样速率，然而由于电子ADC的速率受限，为了使超短光脉冲序列与后端电子ADC速率匹配，往往要先将单路高重复频率的采样光脉冲序列解复用至多路低速脉冲序列再由多个电子ADC并行处理。2013年，意大利CNIT提出了基于超短光脉冲源结合时分解复用的光采样ADC[17]，其结构如图7所示。被动锁模激光器输出时间抖动仅为10fs、重复频率为400MHz的超短光脉冲序列，三个偏置在正交透射点的双输出马赫曾德尔电光调制器作为两级光开关，将一路重复频率400MHz的高速采样光脉冲串解复用为四路100MHz的低速光脉冲序列，四路光信号分别经过光电转换后由采样速率100MS/s的电子ADC完成数据采集与处理，最终在40GHz工作频段内实现了7bits有效位数。

图7 基于时分解复用的光采样ADC

时分复用技术除了可以用于给光脉冲序列降速，还可以结合波分复用技术提高超短光脉冲序列的重复频率，从而提升系统采样速率。2012年，美国麻省理工大学联合英特尔等十余家单位和机构共同提出了结合时分复用和波分复用的光采样ADC[18]，结构如图8所示。实验中，将重复频率1.05GHz的被动锁模激光器通过双通道结构复用，实现了对41GHz信号的数字化，采样速率2.1GS/s、有效位数7bits。此外还研制了双通道硅基光采样ADC芯片，实现了对10GHz信号的数字化，有效位数3bits。2016年，阿联酋马斯达尔学院针对此方案研制了四通道光脉冲时间波长交织器芯片[19]，通道间串扰优于-24dB，该技术指标足以在不经过后续处理的情况下满足10bits有效位数的需求。

图8 美国麻省理工大学提出的光采样ADC

被动锁模激光器由于重复频率相对较低，通常在1GHz以下，要进一步提高采样速率就需要增加复用通道数，这将大大增加系统的复杂度和成本，并引入额外的失真。而主动锁模激光器和无腔超短光脉冲源虽然时间抖动略高于被动锁模激光器，但能够提供更高的重复频率，实现超高的采样速率。2015年，美国加州大学圣地亚哥分校提出了一种基于无腔超短光脉冲源的光采样ADC[20]，其结构如图9所示。连续光激光器连续经过级联的相位调制器与强度调制器实现光谱展宽与脉冲成型，再经过色散补偿光纤实现脉冲宽度的压缩，由此产生重复频率10GHz、脉宽3.5ps的超短光脉冲序列，首次实现了在40GHz工作频段内有效位数超过8bits的光采样ADC，且在整个5GHz瞬时带宽下有效位数也超过了7bits。

图9 基于无腔超短光脉冲源的光采样ADC

在光采样ADC中，电光强度调制器作为将模拟电信号加载在采样光脉冲上实现光采样的关键器件，往往由于自身的非线性工作特性而产生谐波失真。当外加直流电压将电光强度调制器偏置于线性工作点时，对转换精度影响最严重的干扰成分为三阶谐波，此时往往利用双输出调制器两个输出端的互补特性，在数字化处理中利用arcsine算法对三阶谐波进行抑制。2020年北京大学针对光采样下变频系统中的arcsine算法第一次进行了详细分析与推导[21]，结果表明该算法消除了系统的共模噪声，在整个工作带宽内信噪比都能获得3dB的提升，且在一定频率范围内能够有效地抑制大调制深度下的非线性失真。

光采样电量化型ADC最显著的优点在于模拟带宽很大，可以实现高频微波信号的直接数字化，并且已经有系统应用实例，如2014年意大利CNIT提出的世界上第一款微波光子雷达[22]，其利用光采样ADC实现了无需变频的直接数字化接收。但是，在高速光学采样与低速电学量化编码的串行转并行接口处会引入较严重的精度劣化，因此同时提升采样速率和转换精度仍然是光采样电量化型ADC未来的研究方向，此外，开展集成化、小型化的光采样电量化型ADC研究是此类光学ADC走向实用化的必经之路

2 光量化技术

光学时间拉伸ADC利用光学手段对微波信号进行降频、压缩带宽的预处理，间接提升了电子ADC的采样速率与模拟带宽、减小了时间抖动对转换精度的影响；光采样ADC利用超短光脉冲源重复频率高、时间抖动小等优点结合大带宽的电光调制器，可以实现高采样速率、低时间抖动和大模拟带宽的模数转换，两者都是目前技术最成熟、实用价值最高的光学ADC，且已经逐步向着集成化的方向发展[29,18]。然而两者都需要借助电学量化技术，并结合光学时分/波分解复用技术实现多通道并行结构，系统较为复杂。

在光域内实现量化可以克服电子比较器速率的限制，实现单通道高速量化，大大简化模数转换系统结构。光量化即利用光子学器件或光学效应在光域内对具有不同峰值功率的采样光脉冲进行有规律的映射。目前实现高精度光量化的研究主要集中于利用光纤或光波导中的非线性光学效应，例如孤子自频移效应[23]、交叉相位调制效应[24]及自相位调制效应[25]等等。其中，孤子自频移效应是指孤子脉冲在光纤中传输时脉冲的高频能量不断被抽运到低频的现象，这种现象可以将采样光脉冲的功率映射到波长域，从而能够用来实现单通道超快光量化。2015年，日本大阪大学提出了结合孤子自频移和周期性滤波的光量化方案[26]，实现了3bits量化精度。自相位调制效应能够使不同幅度的超短光脉冲序列发生不同程度的展宽和分裂，从而通过功率值判决实现功率到功率的映射。2019年，香港城市大学提出了一种新型的CMOS兼容的硅波导，并结合自相位调制效应实现了一种新型光量化结构[27]，在实验中达到了2bits量化精度，且精度可以通过级联量化结构可以进一步扩展。

利用光量化技术的光学ADC主要有两大类，分别是电采样光量化型ADC和全光采样量化型ADC。两者的不同之处在于电采样光量化型ADC主要是利用电采样保持电路产生的阶梯电压波形来驱动波长可调谐的激光器或中心波长可调谐的滤波器从而在电域内实现采样[28]，而全光采样量化型ADC的采样部分类似于光采样ADC[29]。电采样光量化型ADC由于在采样部分受限于波长可调谐器件的性能且长期难有突破，因此提出后研究并不多。全光ADC在光域内完成模数转换的全部功能，能够完全摆脱电子元器件性能的束缚，并且无需多通道并行结构，实现全光单路直接采样量化，是非常理想的超宽带、超高速模数转换方案，但是目前量化精度不高、稳定性不够，还处在理论研究阶段。

3 结论

目前，由于单核电子ADC的采样速率受到半导体材料载流子迁移率的限制，且转换精度随着采样率的提高而严重恶化，因此高速电子ADC通常采用多个低速单核ADC通过时间交织的方式实现，然而在采样速度提升的同时，模拟带宽与时间抖动并不能得到优化，还将引入相位误差等电路性能问题影响转换精度。光学ADC能够充分发挥光子学技术高速、宽带等优势，突破电子ADC速率瓶颈，并具有低时间抖动、大带宽的特性，是实现宽带信号高速、高精度数字化最有潜力的技术手段。随着光学ADC研究的不断深入，在其性能不断提升的同时，对小型化和集成化的探索也将提上日程。未来，高性能、低功耗、小尺寸的光学ADC必将在超宽带无线通信、超高速实时测量、高精度雷达探测等方面发挥举足轻重的作用。

致谢

国家重点研发计划“高精度光学模数转换芯片”(2019YFB2203800)，国家自然科学基金(61927821)。